傳感器與信號調(diào)理電路完整課件

1、10/23/2021110/23/2021力的測量與差動放大2u如何測量你的體溫？如何測量你的體溫？包括：獲取溫度信號以及處理溫度信號包括：獲取溫度信號以及處理溫度信號u本講我們將了解測量系統(tǒng)的組成，包括本講我們將了解測量系統(tǒng)的組成，包括信號的獲信號的獲取取以及以及信號的預處理信號的預處理。另外，著重介紹在信號處。另外，著重介紹在信號處理中使用最多的器件：理中使用最多的器件：運算放大器運算放大器。引言引言溫度測量系統(tǒng)溫度測量系統(tǒng)信號信號預處理預處理溫度溫度溫度溫度傳感器傳感器電信號電信號符合要求符合要求的信號的信號10/23/2021西安交通大學工程訓練中心3傳感器傳感器u傳感器傳感器定義定義

2、：能感受某種信息（：能感受某種信息（被測量被測量），并），并按按一定規(guī)律一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成將其轉(zhuǎn)換成可用信號可用信號的器件或裝置；的器件或裝置；p可用信號：某一定場合中便于傳輸和處理且可以使用可用信號：某一定場合中便于傳輸和處理且可以使用的信號，常是電量。的信號，常是電量。u傳感器的傳感器的本質(zhì)本質(zhì)：將被測量從一種：將被測量從一種能量能量形式形式轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，并作為可用信號輸出；成另一種能量形式，并作為可用信號輸出；u狹義的傳感器：被測量狹義的傳感器：被測量電信號；電信號；u傳感器是工業(yè)系統(tǒng)的感官，獲取工業(yè)系統(tǒng)中的傳感器是工業(yè)系統(tǒng)的感官，獲取工業(yè)系統(tǒng)中的位置、轉(zhuǎn)速、溫度、液位、壓力

3、等信息；位置、轉(zhuǎn)速、溫度、液位、壓力等信息；u對傳感器的要求：對傳感器的要求：線性度好線性度好、無滯環(huán)誤差無滯環(huán)誤差、特特性穩(wěn)定性穩(wěn)定、測量范圍寬測量范圍寬、響應迅速。響應迅速。被測量被測量傳感器傳感器可用信號可用信號物理量物理量化學量化學量生物學量生物學量10/23/2021西安交通大學工程訓練中心4信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路u問題：問題：傳感器的輸出信號往往傳感器的輸出信號往往很微弱很微弱，或，或波形不適當波形不適當，或，或信信號形式不適合號形式不適合，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制?？刂?。u解決：電壓放大、整形、電流電壓轉(zhuǎn)換、頻率解決：電壓放大、整形

4、、電流電壓轉(zhuǎn)換、頻率電壓轉(zhuǎn)換等；電壓轉(zhuǎn)換等；u信號調(diào)理電路：對傳感器的輸出信號施行一定信號調(diào)理電路：對傳感器的輸出信號施行一定預預處理處理的裝置，使信號適于顯示或控制。的裝置，使信號適于顯示或控制。主要技術(shù)：電子技術(shù)主要技術(shù)：電子技術(shù)運算放大器運算放大器u測量同一被測量：不同的測量方法測量同一被測量：不同的測量方法不同的傳感不同的傳感器及相應的器及相應的信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路。u同一傳感器可以用于不同的工業(yè)系統(tǒng)。同一傳感器可以用于不同的工業(yè)系統(tǒng)。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心5直流電源直流電源測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號調(diào)理信號調(diào)理電路電路典型測量系統(tǒng)的組成典型測量系統(tǒng)的組成現(xiàn)場現(xiàn)場

5、物理量物理量傳感器傳感器可用可用信號信號顯示裝置顯示裝置信號發(fā)生器信號發(fā)生器示波器示波器控制裝置控制裝置萬用表萬用表10/23/2021西安交通大學工程訓練中心6常用儀器在測量系統(tǒng)中的應用常用儀器在測量系統(tǒng)中的應用u信號發(fā)生器信號發(fā)生器：產(chǎn)生：產(chǎn)生標準信號標準信號（不同波形種類（不同波形種類、不、不同頻率和幅值的同頻率和幅值的信號）；信號）；調(diào)試和維修時，調(diào)試和維修時，模擬傳感器的輸出信號模擬傳感器的輸出信號u示波器示波器：測量并顯示電路中不同點的信號；：測量并顯示電路中不同點的信號；u直流電源直流電源：為系統(tǒng)各部分供電；：為系統(tǒng)各部分供電；u萬用表萬用表：最方便的檢測儀器：最方便的檢測儀器可

6、測量電壓、電流、電阻、電容、電感、溫度可測量電壓、電流、電阻、電容、電感、溫度10/23/2021西安交通大學工程訓練中心7集成運算放大器集成運算放大器u集成運算放大器是一種集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)高放大倍數(shù)的直接耦合放的直接耦合放大器件；大器件；u完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等）、信號處理（濾波、數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等）、信號處理（濾波、調(diào)制等）以及波形的產(chǎn)生和變換等功能；調(diào)制等）以及波形的產(chǎn)生和變換等功能；u由于集成運放具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、由于集成運放具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、體積小、重

7、量輕、耗電量少等優(yōu)點，得到了廣泛體積小、重量輕、耗電量少等優(yōu)點，得到了廣泛的應用；的應用；u注意：集成運算放大器是一個有源器件。注意：集成運算放大器是一個有源器件。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心8運算放大器運算放大器u運算放大器的符號以及常見的運算放大器：運算放大器的符號以及常見的運算放大器：管腳起始管腳起始朝左朝左管腳序號逆時針方向增長！管腳序號逆時針方向增長！op07lm324_+10/23/2021西安交通大學工程訓練中心9運算放大器運算放大器u運算放大器簡稱為運放；運算放大器簡稱為運放；u運放有兩個輸入端：運放有兩個輸入端：p同相輸入端同相輸入端p反相輸入端反相輸入端p有

8、單端和差動兩種輸入方式有單端和差動兩種輸入方式u一個輸出端；一個輸出端；10/23/2021西安交通大學工程訓練中心10運算放大器運算放大器u“放大放大”的含義及工作特性曲線的含義及工作特性曲線0vivoe+ +e- -正向飽和正向飽和反向截止反向截止線性放大區(qū)線性放大區(qū)o()ivava vv+-“放大放大”的含義的含義運放的工作特性曲線運放的工作特性曲線vo( e- , e+ )10/23/2021西安交通大學工程訓練中心11理想運算放大器理想運算放大器a很大，很大，1000以上以上ri很大，兆歐以上很大，兆歐以上ro很小，可以忽略很小，可以忽略vo有限，電源電壓范圍內(nèi)有限，電源電壓范圍內(nèi)a

9、riro0vo(e-,e+)v+=v-ii=0虛通虛通虛短虛短虛斷虛斷o(,)000iiioiiivveevaviravr-+ o()ivava vv+-考慮電壓考慮電壓考慮電流考慮電流理想運放是一個理想運放是一個高增益、高輸入電阻、低輸出電阻高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的器件。的器件。1反相輸入端反相輸入端ri_+ov2vro_ avi+iv1v122同相輸入端同相輸入端310/23/2021西安交通大學工程訓練中心12理想運算放大器理想運算放大器u在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時：反相輸入端與同相在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時：反相輸入端與同相輸入端的電壓相等，稱為輸入端的電壓相等，稱為“虛通虛通”或

10、或“虛短虛短”；p若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）電位為若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）電位為零，則反相端（同相端）電位也為零，稱為零，則反相端（同相端）電位也為零，稱為“虛地虛地”；u在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時：反相輸入端與同相在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時：反相輸入端與同相輸入端之間的電流為零，稱為輸入端之間的電流為零，稱為“虛斷虛斷”。_+ov2v0iv 1v1230ii 10/23/2021西安交通大學工程訓練中心13單端輸入與差動輸入單端輸入與差動輸入u單端輸入方式單端輸入方式p一端接輸入信號，另一一端接輸入信號，另一端接地（或通過電阻接端接地（或通過電阻接地）地）p同相

11、輸入同相輸入p反相輸入反相輸入u差動輸入方式（雙端輸入）差動輸入方式（雙端輸入）p輸入信號輸入信號v1和和v2同時加在同相同時加在同相端端1和反相端和反相端2上上 pviv1v210/23/2021西安交通大學工程訓練中心14開環(huán)方式與反饋方式開環(huán)方式與反饋方式u開環(huán)方式開環(huán)方式p輸出端與輸入端之間除輸出端與輸入端之間除地線外沒有連接；地線外沒有連接；p如：比較器。如：比較器。u反饋方式反饋方式p有信號從輸出端經(jīng)過某有信號從輸出端經(jīng)過某種電路回到輸入端，構(gòu)種電路回到輸入端，構(gòu)成反饋回路。成反饋回路。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心15正確理解運放的正確理解運放的“工作方式工作方式”

12、u運放內(nèi)部并沒有所謂的運放內(nèi)部并沒有所謂的“工作方式工作方式”，它只會按，它只會按照運放的工作特性曲線工作（即對所有的照運放的工作特性曲線工作（即對所有的“工作工作方式方式”都一樣）；都一樣）；u所謂的所謂的“工作方式工作方式”是依是依運放的外部連接運放的外部連接而引入而引入的說明。的說明。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心16運放的分析方法運放的分析方法三步走三步走u虛斷：把電路分為兩個電阻串并聯(lián)的支路；虛斷：把電路分為兩個電阻串并聯(lián)的支路；u虛短：虛短：v+=v-，即兩個支路之間的關(guān)系；，即兩個支路之間的關(guān)系；u使用電阻串并聯(lián)的方法求解（設(shè)電流使用電阻串并聯(lián)的方法求解（設(shè)電流 i

13、）。）。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心17運放應用：運放應用：反相比例放大器反相比例放大器va=0a點常稱點常稱“虛地虛地”點點i12ovrrv-ia11ao22vvirvvir-a330aiivv330vi r210aiiv虛斷虛斷虛短虛短2ir2r1_+10v-10vr3ovaavai1i3i3viv10/23/2021西安交通大學工程訓練中心18運放應用：運放應用：反相比例放大器反相比例放大器3avva30iiiaao12vvvvrr-r2r1_+10v-10vr3ovaavai1i3i3v虛短虛短虛斷虛斷反向輸入支路反向輸入支路30avvi12ovrrv-同向輸入支路同向

14、輸入支路iv10/23/2021西安交通大學工程訓練中心19運放應用：運放應用：同相比例放大器同相比例放大器12oi1rruur+1o12()virui rr-+0vvii-+-ivvu-+虛斷虛斷虛短虛短ivu+原理圖中常用的原理圖中常用的簡化畫法簡化畫法oiug u10/23/2021西安交通大學工程訓練中心20運放應用：運放應用：電壓跟隨器電壓跟隨器oiuuovv-+0vvii-+-ivvu-+虛斷虛斷虛短虛短ivu+輸出跟隨輸入變化。輸出跟隨輸入變化。作用：作用：前后極之間的前后極之間的隔離、緩沖，提高帶隔離、緩沖，提高帶負載能力等。負載能力等。10/23/2021西安交通大學工程訓練

15、中心21運放的運放的補充說明補充說明u前面講的均是運放的理想模型，集成運放內(nèi)部并前面講的均是運放的理想模型，集成運放內(nèi)部并非真如模型的結(jié)構(gòu)，但是它有與模型相同的特性非真如模型的結(jié)構(gòu)，但是它有與模型相同的特性（工作特性曲線），所以可以使用理想模型來分（工作特性曲線），所以可以使用理想模型來分析運放；析運放；u集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，在集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，在模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)課課程中有深入的講解，可以參考：程中有深入的講解，可以參考：p模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版） 清華大學電子學清華大學電子學教研組教研組 編編 童詩白童詩白 華成英華成英 主編主編10/23/2021

16、西安交通大學工程訓練中心22訓練內(nèi)容訓練內(nèi)容1：反相放大器的測試反相放大器的測試u輸入信號輸入信號ui：正弦波，：正弦波，f=2khz，直流電平為，直流電平為0v，uip-p=0.4v、0.8v、1.2v、1.8v、2.5v；u雙蹤觀察輸入輸出波形，雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸出記錄輸出uop-p；u連續(xù)增大連續(xù)增大ui的幅值，記錄的幅值，記錄出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時輸入、輸出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時輸入、輸出信號的峰峰值。出信號的峰峰值。2op-pip-pip-p110ruuur - -uip-p(v)uop-p(v)0.40.81.21.82.5臨界飽和時：臨界飽和時： ; 。 ip-p uop-p u10/2

17、3/2021西安交通大學工程訓練中心23+10v-10vuiuoi-+ar310kwr1 10kwr2 100kw信號發(fā)生器信號發(fā)生器直流電源直流電源反相放大器的訓練：反相放大器的訓練：接線示意圖接線示意圖示波器示波器電路的檢測方法：電路的檢測方法：檢查電源供電是否正常？檢查電源供電是否正常？1.有問題，檢查有問題，檢查連接點連接點導線導線直流電源的使用：直流電源的使用：開啟之前開啟之前逆時針逆時針旋到底旋到底“跟蹤跟蹤”按下按下電路中所有的地要電路中所有的地要“共地共地”10/23/2021西安交通大學工程訓練中心24訓練電路板簡介訓練電路板簡介10/23/2021西安交通大學工程訓練中心2

18、5訓練內(nèi)容訓練內(nèi)容2：同相放大器的測試同相放大器的測試u輸入信號輸入信號ui：正弦波，：正弦波，f=2khz，直流電平為直流電平為0v，uip-p=0.4v、0.8v、1.2v、1.8v、2.5v；u雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸雙蹤觀察輸入輸出波形，記錄輸出出uop-p；u連續(xù)增大連續(xù)增大ui的幅值，記錄出現(xiàn)飽的幅值，記錄出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時輸入、輸出信號的峰峰和現(xiàn)象時輸入、輸出信號的峰峰值。值。uip-p(v)uop-p(v)0.40.81.21.82.512op-pip-pip-p111rruuur+臨界飽和時：臨界飽和時： ; 。 ip-p uop-p u10/23/2021西安交通大學工程訓

19、練中心26訓練內(nèi)容訓練內(nèi)容3：電壓跟隨器的測試電壓跟隨器的測試u輸入信號輸入信號ui：正弦波，：正弦波，f=2khz，直流電平為，直流電平為0v，uip-p = 0.5v；u雙蹤觀察輸入輸出波形；雙蹤觀察輸入輸出波形；u連續(xù)改變連續(xù)改變uip-p ，雙蹤觀察輸入輸出波形。，雙蹤觀察輸入輸出波形。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心27ic間距與間距與dip封裝封裝uic間距間距：1ic = 0.1inch = 100mil = 2.54mmp面包板的插孔間距、集成電路封裝面包板的插孔間距、集成電路封裝u軟尺寸與硬尺寸軟尺寸與硬尺寸p軟引線尺寸軟引線尺寸：元器件安裝到面包板或印制電路板上

20、時，元器件對：元器件安裝到面包板或印制電路板上時，元器件對焊盤間距要求不是很嚴格，如：普通電阻、電容、小功率三極管、焊盤間距要求不是很嚴格，如：普通電阻、電容、小功率三極管、二極管等；二極管等；p硬引線尺寸硬引線尺寸：元器件對安裝尺寸有嚴格要求，如：大功率三極管、：元器件對安裝尺寸有嚴格要求，如：大功率三極管、繼電器、電位器、集成電路。繼電器、電位器、集成電路。udip封裝封裝：雙列直插封裝，一般管腳數(shù)小于：雙列直插封裝，一般管腳數(shù)小于100p如：如：dip-8、dip-14、dip-40u其他封裝：其他封裝：plcc、qfp10/23/2021西安交通大學工程訓練中心28元器件在面包板上的安

21、裝示例元器件在面包板上的安裝示例op07lm3241.5k1.5k71072907icic4ic集成電路：集成電路： 管腳序號按逆時針方向增長管腳序號按逆時針方向增長極性：極性：長正短負長正短負 色環(huán)為負色環(huán)為負10/23/2021西安交通大學工程訓練中心29小結(jié)小結(jié)u傳感器：被測量傳感器：被測量可用信號（一定規(guī)律）；可用信號（一定規(guī)律）；u信號調(diào)理電路：對可用信號做預處理；信號調(diào)理電路：對可用信號做預處理；u運放：運放：“虛短虛短”“虛斷虛斷”電阻串并聯(lián)電阻串并聯(lián)p反相反相/同相比例器：實現(xiàn)電壓的單端放大；同相比例器：實現(xiàn)電壓的單端放大；p差動放大器：實現(xiàn)兩路電壓的差動放大；差動放大器：實現(xiàn)

22、兩路電壓的差動放大；p電壓跟隨器：實現(xiàn)前后極的電壓跟隨器：實現(xiàn)前后極的隔離隔離。測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號調(diào)理信號調(diào)理電路電路現(xiàn)場現(xiàn)場物理量物理量傳感器傳感器可用可用信號信號顯示裝置顯示裝置控制裝置控制裝置10/23/2021西安交通大學工程訓練中心30訓練中常見的問題訓練中常見的問題u輸出波形產(chǎn)生畸變輸出波形產(chǎn)生畸變p主要原因：未接電源地；主要原因：未接電源地；p可能原因：可能原因：op07損壞。損壞。u在輸入在輸入uip-p2v就飽和就飽和p10k電阻被短接；電阻被短接；p輸入直流電平不為輸入直流電平不為0，即，即offset旋鈕開且不為旋鈕開且不為0。u輸出波形先截止，后飽和輸出波形先截止，后飽和p運放：截止運放：截止-9.3v，飽和，飽和+9.7v；poffset旋鈕調(diào)節(jié)：有一個很小的直流電平。旋鈕調(diào)節(jié)：有一個很小的直流電平。10/23/2021西安交通大學工程訓練中心31運算放大器運算放大器u“放大放大”的含義及工作特性曲線的含義及工作特性曲線vivo0e+ +- -0.3e- - + +0.7正向飽和正向飽和反向截止反向截止線性放大區(qū)線性放大區(qū)o()ivava vv+-“放大放大”的含義的含義運放的工作特性曲線運放的工作特性曲線飽和壓降約飽和壓